E – CIRCUITI COMBINATORI E SEQUENZIALI...Ps = Val 2 / (R + RSW) La potenza statica è del tutto...
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SisElnF1 17/12/2002 MZ 1 Page 1 17/12/2002 - 1 SisElnE1 - MZ Ingegneria dell’Informazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI E – CIRCUITI COMBINATORI E SEQUENZIALI E1 – Circuiti combinatori » Porte logiche combinatorie elementari » Modello interruttore-resistenza » Circuiti sequenziali base » Flip-Flop, Registri, contatotori » Macchine a stati finiti » Trend tecnologico e famiglie logiche
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Ingegneria dell’Informazione
Modulo
SISTEMI ELETTRONICI
E – CIRCUITI COMBINATORI E SEQUENZIALIE1 – Circuiti combinatori
» Porte logiche combinatorie elementari» Modello interruttore-resistenza» Circuiti sequenziali base» Flip-Flop, Registri, contatotori» Macchine a stati finiti» Trend tecnologico e famiglie logiche
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Obiettivi del gruppo di lezioni E
– Circuiti combinatori» Cosa sono e come si realizzano semplici circuiti combinatori» Analisi del comportamento dei circuiti combinatori con il modello
resistenza-interruttore» Derivazione di semplici funzioni logiche
– Circuiti sequenziali» Come si realizza un circuito digitale con memoria» Esempi di flip-flop e registri» Comportamento dinamico dei flip-flop» Esempi di circuiti sequenziali: registri, contatori, shift» Analisi di macchine a stati finiti (FSM)
– Trend tecnologico e famiglie logiche» Evoluzione della tecnologia e famiglie logiche
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Organizzazione
– 4 lezioni
» caratteristiche base dei dispositivi logici combinatori» caratteristiche base dei circuiti logici sequenziali» macchine a stati finiti» trend tecnologico e famiglie logiche
– 1 laboratorio
» Misure su circuiti combinatori e sequenziali
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Obiettivi di questa lezione (E1)
» Derivazione di circuiti combinatori a partire dal modello semplificato resistenza-interruttore
» Calcolo dei tempi di ritardo e dei consumi» Analisi e progetto di circuiti logici complessi» Analisi di logiche a pass-transistor» Riferimenti allo Jaeger: 7.1, 7.5, 7.6, 8.1, 8.2, 8.4-6, 8.8, 8.9
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CIRCUITI COMBINATORI
Le porte logiche elementari possono essere modellate con gruppi di Resistenze (R) e Interruttori (SW)
R
Val
Gnd
VinVout
Gli SW modellano (non in modo completamente preciso) dei componenti attivi (MOS, Bipolari, etc) non lineari che si comportanocome interruttori
Le R possono essere delle vere e proprie Resistenze
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CIRCUITI COMBINATORI
I circuiti logici pilotati sono assimilabili a gruppi RC
R
Val
Gnd
Vin Ri
Gnd
Ci
RECEIVER
DRIVER
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CIRCUITI COMBINATORIR e C di ingresso
Solitamente la Ri è molto elevata, tanto da poterla considerare “trascurabile” rispetto all’impedenzadella capacità Ci
ingressi di tipo capacitivo
R
Val
Gnd
Vin Ri
Gnd
Ci
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CIRCUITI COMBINATORI COMMUTAZIONE L H
Supponiamo che il carico sia puramente capacitivo.
Durante la commutazione dell’uscita L H, la correnteIC scorre dall’alimentazione verso il carico.
Il tempo di salita vale:
Tr = 2.2 (R Ci)
L’energia impiegata vale:
E = Ci Val 2
R
Val
Gnd
Vin
Gnd
Ci
IC
Metà dell’energia viene dissipata su R e metà è immagazzinata su Ci
tempo per passare dal 10%
al 90% del valore finale
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CIRCUITI COMBINATORICOMMUTAZIONE H L
Durante la commutazione dell’uscita H L, la corrente IC
scorre dal carico verso Gnd
Il tempo di discesa dipende da come si modella l’interruttore:
L’energia immagazzinata su Ci viene completamente dissipata su RSW
R
Val
Gnd
Vin
Gnd
CiIC
Se SW è reale (con in serie una resistenzaRSW)
Tf = 2.2 RSW Ci (realistico)
Se SW è ideale
Tf = 0 (non realistico)
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CIRCUITI COMBINATORICONSUMO DI POTENZA
Oltre alla potenza dissipata durante la commutazione la topologia R-SW prevede un consumo STATICO di POTENZA quando l’uscita è a LIVELLO BASSO
Ps = Val ICC
ovvero
Ps = Val 2 / (R + RSW)
La potenza statica è del tutto inutile per il funzionamento del dispositivo logico.
Si usano i circuiti R-SW solo quando tecnologicamente “conviene” o quando non se ne può fare a meno (o quando il consumo di potenza non èfondamentale)
R
Val
Gnd
IN = H
Gnd
Ci
ICC
Rsw
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CIRCUITI COMBINATORIR-SW complessi 1
Il circuito R-SW è generalizzabile con una rete di interruttori in paralleloverso Gnd collegati agli ingressi IN1, IN2, INn
In questo modo si realizza la funzione logica NOR
R
Val
Gnd
IN1IN2INn
OUT
OUT = IN1 + IN2 .. + ... INn...
I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL’INVERTER
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CIRCUITI COMBINATORIR-SW complessi 2
Se gli interruttori collegati agli ingressi IN1, IN2, INn sono posti in SERIE verso Gnd
si realizza la funzione logica NAND
R
Val
Gnd
IN1IN2INn
OUT
OUT = IN1 IN2 .. ... INn
...
I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL’INVERTER, PERÒ:
LA SCARICA DI OUT AVVIENE SULLA SERIE DELLE RSW
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ESERCIZIO: R-SW complessi
Realizzare la funzione logicaR
Val
Gnd
ABC
OUTOUT = C + ( A B )
C
A B
Calcolare Tf e Tr nelle diverse configurazioni degli ingressi
(Tutte le resistenze degli switch sono uguali a RSW )
SUGGERIMENTO: USARE LE LEGGI DI DE MORGAN!!
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SW-SW complessi 1
IL PROBLEMA DELLE LOGICHE R-SW È IL CONSUMO STATICO DI POTENZA A LIVELLO BASSO DI USCITA.
QUANDO È POSSIBILE TECNOLOGICAMENTE SI UTILIZZANO LOGICHE SW-SW.
Val
Gnd
IN OUT
DUE TIPI DI SW:
CHIUSO CON INGRESSO “L”
CHIUSO CON INGRESSO “H”
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SW-SW complessi 2
NON HANNO CONSUMO STATICO DI POTENZA
(NON ESISTE UN PERCORSO CONDUTTIVO TRA Val E Gnd)
Val
Gnd
IN OUT
Val
Gnd
IN OUT“H” “L”“L” “H”
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SW-SWCOMMUTAZIONE L H
Durante la commutazione L H, la corrente IC scorre dall’alimentazioneverso il carico.
Il tempo di salita vale (se Rswu = 0 ):
Tr = 0 (non realistico)
Se SW non è ideale comunque il tempo di salita è molto minoredel caso R-SW
Val
Gnd
Vin
Gnd
Ci
IC
Se SW è reale (con in serie una resistenza RSWd)
Tr = 2.2 RSWu Ci (realistico)
L’energia impiegata vale:
E = Ci Val 2
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SW-SWCOMMUTAZIONE H L
Durante la commutazione dell’uscitaH L, la corrente IC scorre dal caricoverso lo zero volt (Gnd)
Il tempo di discesa dipende da come si modella l’interruttore:
Se SW è ideale
Tf = 0 (non realistico)
L’energia immagazzinata su Ci viene completamente dissipata su RSWd
Val
Gnd
Vin
Gnd
CiIC
Se SW è reale (con in serie una resistenza RSWd)
Tf = 2.2 RSWd Ci (realistico)
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CIRCUITI COMBINATORISW-SW complessi 1
Il circuito SW-SW è generalizzabile con una rete di interruttori in paralleloverso Gnd ed una rete diinterruttori in serie verso Val collegati agli ingressi IN1, IN2, INn
In questo modo si realizza la funzione logica NOR
Val
Gnd
IN1IN2INn
OUT
OUT = IN1 + IN2 .. + ... INn...
I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL’INVERTER
IN1IN2INn
...
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CIRCUITI COMBINATORISW-SW complessi 2
Se la rete superiore ha gli SW in parallelo e la rete inferiore ha gli SW in serie
si realizza la funzione logica NAND
Val
Gnd
IN1IN2INn
OUT
I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL’INVERTER
IN1IN2INn
OUT = IN1 IN2 .. ... INn
...
...
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ESERCIZIO: SW-SW complessi
Realizzare la funzione logica
Val
Gnd
ABC
OUT
OUT = C + ( A B )
C
A B
Calcolare Tf e Tr nelle diverse configurazioni degli ingressi
(Tutte le resistenze degli switch sono uguali a RSWU e RSWd )
SUGGERIMENTO: USARE LE LEGGI DI DE MORGAN!!
ABC
BA C
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ESERCIZIO: HALF ADDER
RICAVARE IL CIRCUITO (HALF ADDER) CHE ESEGUE LA SOMMA BINARIA DI DUE BIT A E B
SUM = A xor B
CARRY = A and B
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ESERCIZIO: FULL ADDER
RICAVARE IL CIRCUITO (FULL ADDER) CHE ESEGUE LA SOMMA BINARIA DI DUE BIT A E B CON UN CARRY IN INGRESSO
SUM = A xor B xor CARRY_IN
CARRY_OUT = (A B) + (A CARRY_IN) + (B CARRY_IN)
COME SI PUÒ REALIZZARE UN FULL ADDER UTILIZZANDO SOLO DEGLI HALF ADDER?
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CIRCUITI COMBINATORI LOGICA A INTERRUTTORI
FUNZIONI LOGICHE POSSONO ESSERE REALIZZATE ANCHE UTILIZZANDO GLI INTERRUTTORI IN SERIE AL SEGNALE
MULTIPLEXER : EXOR :
OUT = A S + B S B
A
S
OUT = A xor B
B
A
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CIRCUITI COMBINATORI BASE
